Analysis for interaction of supports and surrounding rock of gateways in longwall minging

Gateway supporting in long wall mining has been a problem that restricts the mine production and safety, the paper sets up an interaction model between support and surrounding rock (rock mass structure) and probes the elementary theory about ground pressure behaviors of gateway. Based on the analysis of supporting theories, some new viewpoints about gateways supporting and ground pressure controlling are put forward.

深部软岩巷道围岩与锚喷U型钢支护结构相互作用研究

收敛-约束法(特性曲线法)是将理论解析、现场实测、工程经验相结合的一种地下工程结构设计方法,是目前分析围岩-支护相互作用关系及开展支护优化设计的常用方法。基于收敛-约束法的基本原理,总结给出了经典的支护特征与支护结构变形方程,理论计算获得了喷射混凝土、锚杆(索)、U型钢支架等支护结构的支护特征曲线,分析了支护结构的几何尺寸(直径、长度)、间排距、材料强度等参数对支护压力的影响特征;随着喷射混凝土厚度及强度等级的增加,喷射混凝土提供的支护刚度和支护压力逐渐增大;随着锚杆(索)直径、长度、杆体材料强度的增加及间排距的减小,锚杆的支护压力显著增加;U型钢支架的排距越小及材料强度越大,其提供的支护压力越大。采用FLAC^(3D)内嵌的莫尔库伦应变软化本构模型,建立了考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的深部软岩巷道数值分析模型,计算获得了不同应力状态下巷道纵剖面变形曲线、围岩特征曲线,分析了锚喷、锚杆(索)喷、锚喷U型钢等3种联合支护技术对深部巷道围岩大变形控制的适用性,验证了锚喷U型钢联合支护技术应用于深部巷道支护工程的可行性。考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的应变软化本构模型和经典的莫尔库伦本构模型的数值模拟结果相差较大,采用莫尔库伦本构模型的数值模拟结果保守,支护结构提供的支护压力无法满足深部巷道稳定性控制要求,支护后巷道围岩变形较大甚至会发生冒顶、片帮等安全事故。

基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定

延安子长矿区极薄煤层分布广泛,因赋存煤炭为稀缺配焦煤,回采价值较高,但该矿区未有过开采极薄煤层的先例,开采过程中面临支架选型不合理的问题,且国内在该方面的研究成果较少,因此,以禾草沟二号煤矿极薄煤层综采工作面为背景,通过数值模拟、理论分析等研究了极薄煤层综采工作面顶板覆岩结构破断特征及其演化过程,建立了采场顶板岩梁断裂前后力学解析模型,获得了极薄煤层综采工作面直接顶周期破断距,确定了合理支架工作阻力。结果表明:极薄煤层工作面开采初期顶板垮落后会较快的对上覆岩层形成支撑,至顶板极限跨距后,直接顶与基本顶周期破断,且基本顶破断位置位于直接顶破断线前方,两者间存在离层空间,共同回转下沉;工作面液压支架主要受直接顶回转载荷作用,其作用载荷为3 980.89 kN,确定支架选型为ZZ4000/6.5/13D四柱支撑掩护式液压支架;现场应用后,可以有效发挥支架支护性能,满足采场围岩控制要求。研究成果为国内极薄煤层开采工作面支架选型提供了一定的参考。

初支混凝土硬化特性与围岩流变耦合作用机制

喷射混凝土作为初期支护重要组成部分广泛应用于隧道工程。深埋软岩隧道开挖时,喷射混凝土硬化特性及围岩流变效应均于时间有关,使得围岩变形及结构受力错综复杂。基于此,该文建立了考虑喷射混凝土硬化特性与围岩流变效应的耦合解析模型,阐明了流变岩体隧道“支护-围岩”动态演化机制,分析了喷射混凝土设计参数、隧道工程参数及围岩流变特性等对“支护-围岩”动态作用的影响机制,并通过具体实例探讨了不同支护类型的时效支护特性。分析表明:喷射混凝土施作初期刚度较低,在围岩流变特性及开挖空间效应下围岩变形速率大,而喷射混凝土承担荷载较不考虑其硬化特性时要小,对于流变岩体隧道宜采用早强混凝土限制围岩早期变形;围岩流变荷载与喷射混凝土刚度均随时间逐渐增大,不考虑围岩流变效应会低估喷射混凝土对围岩变形控制效果及所承担荷载水平;型钢钢架+喷混支护体系刚度较大有利于限制围岩变形,格栅钢架+喷混支护刚度较小更利于围岩应力释放;隧道支护时机的选择应综合考虑围岩流变效应、支护类型、喷混硬化特性、隧道掘进速率的影响,进一步给出了不同支护类型的支护时机-掘进速度的极限关系曲线。研究成果可为类似隧道工程支护设计、施工提供理论依据。

基于Drucker-Prager屈服准则及加卸载判据的圆形隧道围岩-支护作用机制探讨

隧道围岩-支护相互作用机制是隧道力学中的基础理论,为了准确描述围岩与支护结构对隧道应力变形的影响,假定围岩本构模型为理想弹塑性模型,采用适用于岩土材料的Drucker-Prager屈服准则,考虑加卸载判据,证明了圆形隧道的开挖过程是一个加载过程,支护过程是卸载过程。通过大型有限元仿真软件Abaqus计算了平面应变情况下圆形隧道开挖与支护过程的弹塑性解。数值分析结果与理论公式结果相吻合,表明开挖的过程是解除内压、增大压差的加载过程,支护过程为施加内压、减小压差的卸载过程。支护后的围岩应力增量和位移增量符合弹性规律,且支护过后的应力等于开挖后的应力减去弹性应力。支护过程的卸载效应使得开挖过程产生的塑性区变成了残余变形区。研究结果可为工程应用提供参考。

紫晟煤业2-1111巷道锚杆支护设计

为解决紫晟煤业2-1111巷沿空巷道支护难题,本文对试验巷道的地质概况设立2个围岩结构观测点,并对2个点的顶板岩层结构与点帮煤体结构进行观测。根据围岩结构发育状况、顶板围岩与点帮孔煤体强度测试,确定顶板粉砂岩需锚杆支护强化粉砂岩强度,在巷道顶板浅部形成“锚杆-围岩”联合承载结构;煤柱帮需打设锚索,防止煤柱帮发生较大的变形破坏,依据类似条件巷道(2-1031)支护和变形情况对2-1111巷支护参数进行设计。该技术为2-1111巷道的推进与持续开采提供参考,增加支护强度,减少煤矿井下事故发生。

隧道仰拱的力学行为研究

本文通过大比例尺模型试验与有限元分析相结合的方法研究了隧道仰拱的力学行为。结果表明，隧道仰拱对提高隧道结构的承载力，抑制围岩内塑性区的扩展，约束隧道洞周位移的发展，提高衬砌结构的安全度等方面都有非常重要的作用。

隧道支护结构体系及其协同作用

隧道支护结构体系是围岩稳定性控制的关键,也是隧道设计的基本任务,而对支护结构之间相互作用过程和机制的系统认识则是定量化设计的基础.本文从隧道围岩结构性和支护作用的本质特征出发,提出隧道支护具有"调动"和"协助"围岩承载的基本作用,明确了二者的功能分配原则和实现方式,即分别通过超前支护的保障作用、初期支护的核心作用和二次衬砌的安全储备作用共同完成;针对围岩的正面挤出、前倾式冒落和后倾式冒落等三种超前破坏模式,分别给出了相应的超前支护方式和支护效果评价方法;提出初期支护作为隧道围岩附加载荷的主要承担者,包括锚固体系与拱架及喷射混凝土结构,分别通过"调动"和"协助"围岩实现其承载功能,且同时具有"支"与"护"的作用;阐明了二次衬砌结构作为安全储备功能的内涵,建立了二次衬砌结构的载荷分担比率与刚度匹配性、支护时机的关系,并据此给出了二次衬砌结构参数和施作时机的建议值;建立了以围岩变形量S最小和协同度ξ最优为目标,基于超前支护、初期支护和二次衬砌与围岩相互作用三阶段的协同支护优化模型,明确了支护结构体系与围岩、不同支护结构之间以及支护结构要素之间三个层次的协同关系,并提出了隧道支护结构体系协同优化设计方法.

地下工程中支架和围岩相互作用的突变模型

建立了支架和围岩相互作用的突变模型,利用支架刚度和围岩的弱化刚度模量研究了围岩的突变失稳。研究结果从理论上解释了新奥法的支护原理。利用突变模型定量地给出了突变失稳的关键点。当围岩的变形量达到变形关键点以后,围岩就进入了散体区。变形关键点的大小是围岩-支架系统内部因素决定的,与外界条件无关。

高应力软岩巷道围岩与支护结构相互作用分析

基于Mohr-Coulomb应变软化模型,将收敛-约束法应用于高应力软岩巷道围岩-支护相互作用分析中,构建典型支护结构特征曲线。以FLAC3D数值模拟软件为工具,分析应变软化模型、剪胀角及不同巷道断面类型对围岩-支护相互作用的影响,并对支护系统稳定性进行评价。研究结果表明:考虑应变软化行为的围岩所需支护压力与Mohr-Coulomb模型计算结果相差较大,剪胀角对围岩应力释放过程及围岩-支护相互作用影响较小,巷道不同断面形式及断面不同位置点围岩所需支护压力有一定差异性;初期支护系统的稳定性是围岩与支护系统最终稳定的关键,采用收敛-约束法评价高应力软岩巷道初期支护系统的稳定性,对高应力软岩巷道的支护结构设计及施工具有一定指导意义。

浅埋深工作面支架与顶板的动态相互作用研究

以榆家梁煤矿44305工作面支架活柱伸缩量实测数据为基础,同时对比支架工作阻力监测数据,从工作面顶板下沉特征（周期下沉与循环下沉）及支架让压能力2方面研究了支架与顶板的动态相互作用。结果表明,割煤移架使得＂支架-顶板＂组成的稳定支撑系统失去平衡,造成移架后在形成新的稳定支撑系统前发生了顶板循环下沉与支架增阻;顶板循环下沉在其运动周期内累积形成周期下沉;44305工作面顶板周期下沉量200-300 mm,最大可达462 mm,下沉速度为40-60 mm/h,循环下沉量约30 mm,最大可达52 mm;支架活柱伸缩余量是评价支架让压能力的重要指标,44305工作面回采期间应控制最低采高,确保支架活柱伸缩余量在300 mm左右,避免长时间在较低支撑高度工作,减小切顶压架风险。

融化作用下多年冻土隧道围岩的弹塑性解及其与支护的相互作用分析

多年冻土隧道修建中,施工活动产生的热量将导致多年冻土围岩中出现一定范围的融化圈,进而影响支护的受力以及隧道洞室的收敛。将围岩分为融化区和未融化区,将融化区围岩视为弹塑性介质,未融化区围岩视为弹性介质,建立并求解融化作用下多年冻土隧道围岩弹塑性模型,对不同的围岩条件及支护工况下多年冻土段隧道施工中围岩与支护的相互作用进行分析。结果表明,该模型表现了融化作用下多年冻土围岩与支护相互作用的特征;在较差围岩中,喷射混凝土支护的强度是控制融化作用下多年冻土围岩稳定以及隧道周边位移量的关键因素。在多年冻土隧道施工中,可采用本模型确定施工中容许的最大围岩融化深度,施工中应采取有效措施避免围岩中出现过大的融化圈。

深埋隧道围岩与支护结构相互作用的非线性动力学特性研究

为了充分了解围岩与支护结构动力系统的变化特征,根据现场实测数据分析深埋隧道的围岩稳定性,对提取的时间序列进行相空间重构,计算了关联维数,定性分析了系统的混沌动力学特性。进一步应用反演理论,建立了深埋隧道围岩系统的非线性动力学模型,通过模型逼近,获得待定参数和正演模型的各变量,定量的分析了系统的混沌动力学特性,结果表明,各变量计算与实测的分布曲线非常接近。利用该模型可较好地预测在高地应力条件下围岩与支护结构系统各特征变量的变化规律。

考虑超前支护作用效应的围岩-支护相互作用机制研究

隧道支护结构参数的合理性设计是隧道建设安全经济性的重要保证,而围岩-支护相互作用机制是隧道支护结构设计的核心问题。基于开挖面空间效应的等效力学模型,引入超前支护对开挖面空间效应的影响,建立超前支护、隧道支护-围岩耦合作用模型,得到支护结构与围岩动态相互作用的全过程解析。通过计算实例分析,主要得到如下结论:1)从控制隧道围岩变形角度分析,超前支护、隧道支护均可有效控制隧道围岩变形,说明控制隧道围岩变形不仅要重视隧道支护结构的作用,同时也要考虑超前支护结构的作用;2)当隧道围岩变形量控制到一定程度时,可通过同时调节超前支护参数和隧道支护参数来达到预期的变形控制效果。

弹塑性变形条件下围岩-支护相互作用全过程解析

围岩-支护作用机制是正确认识支护结构对围岩进行有效支护作用的基础理论问题。根据开挖面的空间效应及Hoek拟合方程计算了某工程实例的巷道顶板径向位移沿巷道纵向剖面方向分布的曲线,建立了围岩-支护耦合作用的力学模型,进而建立了描述巷道顶板径向位移与力学模型中的虚拟支护力的关系的数学模型。通过对数学、力学模型的解析与分析,研究了围岩-支护在其相互作用的全过程中的相互作用路径。在此基础上,对弹塑性变形阶段围岩-支护的相互作用原理给出了最新的认识。应用该研究成果,对某工程实例进行了支护作用效果的计算与分析研究。本文的研究成果实现了对围岩-支护耦合作用的全过程解耦,可以对围岩-支护的相互作用进行实时地预测或再现。

巷道围岩控制的波动性平衡理论

运用岩石力学的基本理论分析了巷道围岩的变形、强度特征以及支护力作用下围岩各变形区的应力分布特征 ,首次提出了涵盖巷道围岩 -支护相互作用全过程的波动性平衡理论 。

综掘巷道超前支护装置及其应用研究

为了解决巷道掘进面事故频发,超前支护越来越得到重视,而传统的临时超前支护方式存在诸多弊端,如支撑力不足,支护面积小,作业耗时长、工人劳动强度大、作业安全无保障,已不能适应当前巷道围岩变形特点,本研究将应用新研制的超前支护装置,结合现场工业性试验以及FLAC数值模拟进行验证。结果表明,该新型超前支护装置结构设计合理可靠,易操作,对于提高巷道开挖后第三向应力水平具有积极的作用,并且该装置可以实现在巷道开挖后"无支护-临时超前支护"等工艺过程的无缝衔接过渡,显著地提高了采煤正规循环率,同时应用该装置的工作面,不仅增强了工人的安全感,也提高了工作效率。超前支护装置在王庄煤矿应用的整个工业性试验期内取得了很好的支护效果与经济效益,完全可以满足安全生产的需要。

频繁采动影响巷道围岩强化支护技术及其应用

为解决频繁采动导致巷道围岩支护效果差问题,提出了＂锚杆锚索＋浅深注浆＂巷道围岩联合强化支护技术。该技术施工工艺包括清理表面浮矸、喷射混凝土封闭、注浆、刷巷、锚网支护及喷射混凝土,注浆设计方案包括浅孔注浆、深孔注浆及注浆封孔方案。通过力学分析和井下工程试验对围岩强化支护效果进行了分析。结果表明：利用＂锚杆锚索＋浅深注浆＂联合强化支护技术,能固结围岩内的破碎煤岩体,降低巷道围岩内岩石破碎程度,提高固结性,有效的锚固锚杆锚索;巷道顶板离层量5天内变化量较小,而后逐渐趋于稳定。

基于量化GSI系统的破碎岩体应变软化行为研究

松软破碎岩体的复杂力学特性给深部开采工程带来一系列棘手的问题,深入研究破碎岩体峰后力学行为,对于深部巷道围岩稳定性分析及支护结构设计具有重要意义。基于量化GSI围岩评级系统及连续介质理论,建立了考虑围压影响的破碎岩体峰后应变软化力学模型。通过工程应用实例验证了数值模型的可靠性。研究结果表明:通过计算围岩与支护结构相互作用关系可知,理想弹塑性模型和应变软化模型所得计算结果差异较大,采用理想弹塑性模型进行支护设计,可能导致支护结构的安全性偏低,甚至失稳。现场应用结果表明:数值计算结果与现场实际情况吻合;提出的深部破碎岩体应变软化模型能够较为真实地反映破碎岩体的非线性破坏行为,可为硐室围岩稳定性分析及支护结构设计等提供新的思路。

隧道及地下工程的基本问题及其研究进展

作为隧道及地下工程学科的3个基本问题,隧道围岩稳定性、支护-围岩相互作用和结构体系的动力响应一直都是本学科研究的核心问题,本文围绕上述问题重点分析了隧道围岩力学特性及其载荷效应,建立了深浅层围岩结构力学模型,并通过分析深层围岩中结构层稳定性得到了围岩特性曲线的解析公式,提出了围岩结构性特点及载荷效应的计算方法;通过对隧道支护与围岩作用关系的分析,将支护与围岩的动态作用分为4个阶段:即自由变形、超前支护、初期支护和二次衬砌阶段.由此提出了动态作用全过程的描述方法;基于广义与狭义载荷的理念,提出隧道支护具有调动和协助围岩承载基本功能的观点,明确了两种功能的实现方式,即通过围岩加固、超前加固及锚杆支护实现调动围岩承载,通过支护结构协助围岩承载;针对复杂的隧道支护结构体系,提出了多目标、分阶段协同作用动态优化概念,可使各种支护结构的施作实现时间和空间上的协调,提高可靠性;针对极不稳定的复杂隧道围岩的安全性特点,建立了3种模式的安全事故机理模型,基于工程响应特点提出了安全性分级的新理念,并形成了分级指标体系和分级方法;针对水下隧道及富水围岩条件,建立了3种模式的隧道突涌水机理模型,提出了基于围岩变形控制的安全性控制理论和方法.最后,对本学科发展的热点和核心问题进行了分析和展望.